Manual tecnico-curso-de-motores-miolo-846 b-2

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Manual tecnico-curso-de-motores-miolo-846 b-2

  1. 1. Manual técnico AFTERMARKET CuRso MAHLE METAL LEvE MoToREs dE CoMbusTão InTERnA
  2. 2. 1 Índice 1 Noções preliminares ................................................................................... Página 5 1.1. Objetivo do motor de combustão interna ................................... Página 8 1.2. Normas técnicas ......................................................................... Página 9 1.3. Definições.................................................................................... Página 10 2 Descrição do funcionamento de motores ................................................ Página 17 2.1. Funcionamento dos motores de 4 tempos ................................. Página 17 2.2. Funcionamento dos motores de 2 tempos ................................. Página 19 2.3. Órgãos principais do motor ......................................................... Página 20 2.4. Lubrificação do motor ................................................................. Página 24 2.5. Sistema de alimentação do motor .............................................. Página 28 2.6. Sistema de ignição nos motores (Ciclo Otto) .............................. Página 41 2.7. Sistema de arrefecimento ........................................................... Página 43 3 Principais irregularidades dos motores a combustão interna................ Página 47 3.1. Introdução ................................................................................... Página 47 3.2. Combustão .................................................................................. Página 47 3.3. Causas do baixo rendimento dos motores ................................. Página 50 4 Pistões ......................................................................................................... Página 53 4.1. Objetivos e princípios de funcionamento .................................... Página 53 4.2. Nomenclatura do pistão .............................................................. Página 53 4.3. Tecnologia dos pistões ................................................................ Página 57 4.4. Tipos de pistões .......................................................................... Página 64 5 Pino do pistão ............................................................................................. Página 73 5.1. Introdução ................................................................................... Página 73 5.2. Fabricação .................................................................................. Página 73 5.3. Tipos de pinos ............................................................................. Página 75 5.4. Ajuste pino-pistão ....................................................................... Página 75 5.5. Descentralização do furo para pino do pistão ............................ Página 77 5.6. Conclusão ................................................................................... Página 80 6 Falhas prematuras em pistões .................................................................. Página 81 6.1. Falhas prematuras em pistões por erro de montagem ............... Página 81 6.2. Falhas prematuras por mau funcionamento do motor ................ Página 84 7 Anéis de pistão ........................................................................................... Página 99 7.1. Objetivos e princípios de funcionamento .................................... Página 99 7.2. Nomenclatura dos anéis de pistão .............................................. Página 99 7.3. Tecnologia dos anéis de pistão ................................................... Página 100 7.4. Tipos de anéis ............................................................................. Página 105
  3. 3. 2 8 Falhas prematuras em anéis de pistão ..................................................... Página 109 8.1. Falhas prematuras em anéis por erros de montagem ................. Página 109 8.2. Partículas estranhas no ar admitido ............................................ Página 111 8.3. Lubrificação insuficiente.............................................................. Página 113 8.4. Outros fatores ............................................................................. Página 114 9 Camisas ....................................................................................................... Página 117 9.1. Objetivos e princípios de funcionamento .................................... Página 117 9.2. Nomenclatura das camisas ......................................................... Página 117 9.3. Tecnologia das camisas .............................................................. Página 118 9.4. Tipos de camisas ........................................................................ Página 123 10 Falhas prematuras em camisas .............................................................. Página 125 10.1. Falhas prematuras em camisas por erros de montagem .......... Página 125 10.2. Usinagem irregular do bloco e/ou cabeçote ............................. Página 126 10.3. Outros fatores ........................................................................... Página 129 11 Bronzinas ................................................................................................... Página 133 11.1. Objetivos e princípios de funcionamento .................................. Página 133 11.2. Nomenclatura da bronzina ........................................................ Página 135 11.3. Tecnologia de bronzinas ............................................................ Página 136 11.4. Tipos de bronzinas .................................................................... Página 140 12 Falhas prematuras em bronzinas ............................................................ Página 144 12.1. Falhas prematuras em bronzinas por mau funcionamento ....... Página 144 12.2. Falhas prematuras em bronzinas por erros de montagem ........ Página 149 12.3. Montagem incorreta por falta de atenção ................................. Página 158 13 Arruelas de encosto ................................................................................. Página 161 13.1. Objetivos e princípios de funcionamento .................................. Página 161 13.2. Nomenclatura das arruelas ....................................................... Página 161 13.3. Tecnologia de arruelas de encosto............................................ Página 161 14 Buchas ....................................................................................................... Página 165 14.1. Objetivos e princípios de funcionamento .................................. Página 165 14.2. Nomenclatura da bucha ............................................................ Página 165 14.3. Tecnologia de buchas ............................................................... Página 165 15 Falhas prematuras em buchas ................................................................ Página 167 15.1. Falhas prematuras em buchas por erros de montagem ........... Página 167
  4. 4. 3 16 Válvulas ...................................................................................................... Página 171 16.1. Objetivos e princípios de funcionamento .................................. Página 171 16.2. Nomenclatura da válvula ........................................................... Página 172 16.3. Processos de fabricação ........................................................... Página 174 16.4. Tipos de válvulas ...................................................................... Página 176 17 Falhas prematuras em válvulas ............................................................... Página 178 18 Tuchos ....................................................................................................... Página 185 18.1. Objetivos e princípios de funcionamento dos tuchos ............... Página 185 18.2. Nomenclatura dos tuchos ......................................................... Página 187 18.3. Tecnologia dos tuchos .............................................................. Página 188 18.4. Tipos de tuchos ........................................................................ Página 189 19 Falhas prematuras em tuchos ................................................................. Página 191 20 Engrenagem sinterizada .......................................................................... Página 197 20.1. Objetivos e princípios de funcionamento .................................. Página 197 20.2. Tecnologia das engrenagens sinterizadas ................................. Página 197 21 Turbocompressor ..................................................................................... Página 201 21.1. Objetivos e princípios de funcionamento .................................. Página 201 22 Falhas prematuras em turbocompressores ........................................... Página 205 23 Noções gerais sobre outros tipos de motores ....................................... Página 211 23.1. Motor Wankel ............................................................................ Página 211 23.2. Motores adiabáticos .................................................................. Página 213 23.3. Turbina a gás ............................................................................. Página 213 23.4. Motor de cilindrada variável ...................................................... Página 217 Tabelas ........................................................................................................... Página 218 Anotações ...................................................................................................... Página 222 *TODOS OS DIREITOS RESERVADOS PARA A MAHLE METAL LEVE S.A. Proibida a comercialização e/ou reprodução total ou parcial desta obra, por qualquer meio ou processo, especialmente por sistemas gráficos, microfílmicos, fotográficos, reprográficos, fonográficos e videográficos. Vedada a memorização e/ou a recuperação total ou parcial, bem como a inclusão de qualquer parte desta obra em qualquer sistema de processamento de dados. Essas proibições tam-bém aplicam-se às características gráficas da obra e à sua editoração. A violação dos direitos autorais é punível como crime (art. 184 e parágrafos do Código Penal), com pena de prisão e multa, busca e apreensão e indenizações diversas (arts. 101 a 110 da Lei 9.610 de 19.02.1998, Lei dos Direitos Autoriais).
  5. 5. 4 NOÇÕES PRELIMINARES
  6. 6. 5 1— Noções preliminares Motor Máquina destinada a converter qualquer forma de energia (térmica, elétrica, hidráulica, etc.) em ener-gia mecânica. No caso dos motores de combustão interna, há transformação de energia térmica (quei-ma de combustível) em energia mecânica.
  7. 7. 6 01 — Bomba-d’água 02 — Termostato da água de refrigeração ou válvula termostática 03 — Compressor de ar 04 — Duto de admissão 05 — Bico injetor 06 — Válvula de escape 07 — Coletor de admissão 08 — Válvula de admissão 09 — Linha de injeção de combustível 10 — Vareta de válvula Fig. 1.1 11 — Duto de saída de água de refrigeração 12 — Tampa de válvula 13 — Cabeçote 14 — Tampa lateral do bloco 15 — Bloco do motor 16 — Eixo comando de válvulas 17 — Volante 18 — Eixo virabrequim 19 — Capa do mancal principal 20 — Biela 21 — Bujão de escoamento do óleo do cárter
  8. 8. 7 22 — Bomba de óleo 23 — Cárter 24 — Engrenagem do eixo virabrequim 25 — Polia anti-vibradora 26 — Hélice 27 — Duto de admissão tangencial 28 — Balancim da válvula de admissão 29 — Balancim da válvula de escape 30 — Coletor de escape 31 — Pistão 32 — Motor de partida Fig. 1.2 33 — Dreno da água de refrigeração 34 — Filtro de óleo 35 — Radiador de óleo 36 — Vareta indicadora do nível de óleo 37 — Bomba manual de combustível 38 — Bomba injetora 39 — Respiro do cárter 40 — Filtro de combustível
  9. 9. 8 1.1 — Objetivo do motor de combustão interna Os motores de combustão interna tem por ob-jetivo transformar energia térmica em energia mecânica, diretamente utilizável. Após a mistu-ra combustível/ar ser comprimida na câmara de combustão de cada cilindro, inicia-se uma quei-ma, a qual libera uma força contra a cabeça do pistão, forçando este a deslocar-se na direção do virabrequim (eixo de manivelas). A biela, elemento de ligação entre o pistão e o vi-rabrequim, transmite a força atuante na cabeça do mesmo (resultante da expansão dos gases) ao colo do virabrequim (moente), fazendo com que este gire. Converte assim o movimento retilíneo al-ternado do pistão em movimento rotativo do vira-brequim (Fig. 1.3). Entende-se por combustão a inflamação rápida da combinação do oxigênio com qualquer mate-rial combustível. Fig. 1.3
  10. 10. 9 Motor Ciclo Otto a gasolina É o motor de combustão interna no qual a mistu-ra (gasolina/ar) se inflama através de uma centelha elétrica, ocasionando a queima da mistura e a ex-pansão dos gases. Motor Ciclo Otto a álcool É o motor de combustão interna no qual a mistura (álcool/ar) se inflama através de uma centelha elé-trica, ocasionando a queima da mistura e a expan-são dos gases. Motor Ciclo Diesel Neste tipo de motor de combustão interna, somen-te o ar é comprimido, sendo o combustível injetado no interior do cilindro, quando a compressão do ar está próxima do seu ponto máximo. A elevação de temperatura e pressão no interior do cilindro inflama o óleo diesel na câmara de combustão. 1.2 — Normas técnicas Normas são padrões que regem as informações técnicas sobre máquinas e motores em geral tais como: nomenclatura, potência, torque, etc. Não existe ainda uma única norma técnica inter-nacional, pois são várias as associações técnicas, cada uma delas possuindo suas próprias normas. Assim sendo, descreveremos abaixo as principais: Norma ISO Organização Internacional de Normalização. É a norma internacional geralmente usada no comér-cio entre países ou tomada por alguns países como texto base para a elaboração de sua norma nacional correspondente. Ela estabelece as características e o desempenho das peças e dos motores. Norma INMETRO — ABNT Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial — Associação Brasileira de Normas Técnicas. É a norma brasileira publicada pelo INMETRO, discutida e elaborada pela ABNT — o fórum na- cional de normalização que determina como de-verão ser expressos os dados relativos ao desem-penho dos motores. O motor deve ser ensaiado com todos seus equipamentos, conforme insta-lado no veículo, o que não impede que sejam apresentados dados referentes ao motor sem tais equipamentos. Norma SAE Society of Automotive Engineers Norma inglesa e norte-americana que determina que seja o motor testado despido de seus equipa-mentos (bomba-d’água, dínamo, ventilador, etc.). Deverá porém estar regulado de maneira que a po-tência máxima seja obtida. Norma DIN Deutsche Industrie Normen Norma alemã que determina o teste dos motores de forma a obterem-se resultados idênticos àque-les obtidos quando instalados em seus veículos, isto é, completamente equipados.
  11. 11. 10 1.3 — Definições Potência Medida do trabalho realizado em uma unidade de tempo. Dada pela expressão: P = força × deslocamento tempo A potência de um motor é expressa normalmente nas seguintes unidades: kW — Quilowatt É a unidade de potência do Sistema Internacional de Unidades. Por definição: um kW é a potência desenvolvida quando se realiza, contínua e unifor-memente, um trabalho decorrente da aplicação de uma força necessária para elevar um peso de 100 quilos a uma distância de um metro em um segun-do (Fig. 1.4). HP — Horse Power É a unidade de medida de potência da norma SAE. Por definição: um HP é a potência desenvolvida quando se realiza, contínua e uniformemente, um trabalho decorrente da aplicação de uma força necessária para elevar um peso de 33.000 libras (± 14.970 kg) a um pé (± 0,3 m) de altura em um minuto (Fig. 1.5). CV — Cavalo-vapor É a unidade de medida da norma DIN, para ex-pressar a potência do motor. Por definição: um CV (ps) é a potência desenvolvida quando se realiza, contínua e uniformemente, um trabalho decorren-te da aplicação de uma força necessária para ele-var um peso de 75 kg a um metro de altura em um segundo (Fig. 1.6). BHP — Brake Horse Power É a potência útil ao freio. Representa a potência aproveitável medida no volante do motor, em um dinamômetro (Fig. 1.7). Momento de uma força (torque) Podemos definir momento de uma força em rela-ção a um ponto, como sendo o produto desta for-ça pela distância perpendicular do ponto à direção da força (Fig. 1.8). Fig. 1.4 Fig. 1.5
  12. 12. 11 O momento de uma força é expresso normalmente nas seguintes unidades: Newton Metro (Nm) Por definição, é o produto de uma força de 1 N, atuando perpendicularmente num braço de alavan-ca de comprimento igual a um metro. Quilogrâmetro (kgf.m) Por definição, é o produto de uma força de 1 kgf, atuando perpendicularmente num braço de alavan-ca de comprimento igual a um metro. Libra.Pé (lb.ft) Por definição, é o produto de uma força equivalente a uma libra, atuando perpendicularmente num braço de alavanca de comprimento igual a um pé. Obs: Chamamos a atenção para estas duas últimas uni-dades de torque, porque na prática as chaves de torque ou torquímetros estão geralmente graduados em uma destas duas unidades (Fig. 1.9). Fig. 1.6 Fig. 1.7 Fig. 1.8 Fig. 1.9
  13. 13. 12 Torque do motor No caso de motores de combustão interna o seu torque ou conjugado é o momento criado pela bie-la, devido à força de expansão dos gases, atuando sobre o virabrequim (Fig. 1.10). O torque do motor pode ser calculado pela se-guinte fórmula: M = P x K rpm Na qual: M = torque do motor P = potência do motor K = constante que depende da unidade de potência, valendo: K = 97,44 para potência em kW K = 716,2 para potência em cv K = 5.252 para potência em hp rpm = velocidade de giro do motor em rotações por minuto. A elevação da potência do motor é obtida com o aumento de sua rotação atingindo o seu máximo na rotação máxima, enquanto que o torque máximo do motor é obtido aproximadamente com a metade dessa rotação (Fig. 1.11). CURVAS DE DESEMPENHO Curso do Pistão Distância que o pistão percorre entre o seu Pon-to Morto Superior (PMS) e o seu Ponto Morto In-ferior (PMI). Chamamos Ponto Morto Superior ou Inferior os pontos onde o pistão inverte seu sentido de mo-vimento. Conseqüentemente, o curso do pistão é igual tam-bém ao diâmetro da circunferência percorrida pelo ponto central do colo do virabrequim (Fig. 1.12). Fig. 1.10 Fig. 1.11 Fig. 1.12 CURSO / DIÂMETRO
  14. 14. 13 Diâmetro É a denominação usada para o diâmetro do cilin-dro (Fig. 1.12). Cilindrada É o volume total deslocado pelo pistão entre o PMI e o PMS, multiplicado pelo número de cilindros do motor. É indicado em centímetros cúbicos (cm3) (Fig. 1.13) e a fórmula para calculá-la é a seguinte: C = π x d2 x curso x N 4 Na qual: π = constante = 3,14 d2 = diâmetro ao quadrado (cm2) curso = distância entre os pontos mortos (PMS — PMI) (cm) N = número de cilindros 4 = uma constante Para maior compreensão vamos calcular a cilin-drada de um motor que tem as seguintes carac-terísticas: 4 cilindros, cujo diâmetro é de 85,5 mm e o curso do pistão é 69,0 mm. Podemos então calcular: C = π x d2 x curso x N 4 d = 85,5 mm = 8,55 cm, logo, d2 = 73,1 cm2 curso = 69 mm = 6,9 cm N = 4 π = 3,14 Substituindo os valores: C = 3,14 x 73,1 x 6,9 x 4 4 = 1.584 cm3 = 1.600 cm3 Obs.: No caso de calcularmos o volume de um único ci-lindro, damos o nome de cilindrada unitária (V). Câmara de compressão ou de combustão É o volume existente no cabeçote e/ou no pistão, quando este se encontra no PMS (v) (Fig. 1.14). Fig. 1.13 CILINDRADA Fig. 1.14
  15. 15. 14 Taxa de compressão (relação de compressão) Corresponde à relação entre Volume do cilindro + volume da câmara de combustão volume da câmara de combustão Sendo “V” o volume de um cilindro e “v” o volume da câmara de combustão de um cilindro, temos: Taxa de compressão TC = V + v v Se no caso anterior admitirmos que o motor tenha uma câmara de combustão com 64,0 cm3, pergun-ta- se qual a taxa de compressão? Temos: V = C N Na qual: C = cilindrada do motor N = nº de cilindros V = volume de um cilindro (cilindrada unitária) C = 1.584 cm3 N = 4 (motor de 4 cilindros) V = 1.584 cm3 = 396,0 cm3 4 Então: TC = V + v v Na qual: V = 396,0 cm3 V = 64,0 cm3 Substituindo os valores: TC = 396,0 + 64,0 72 64,0 Normalmente a taxa de compressão é dada na forma 6:1 ou 7:1, em que se lê “seis por um” ou “sete por um”. Portanto, no exemplo acima temos 7,2:1, ou seja, sete vírgula dois por um. Para explicar tal fato, vamos ilustrar o assunto para maior facilidade de compreensão (Fig. 1.15). Observamos que a forma de cálculo acima da taxa de compressão é aproximada, pois não foram con-siderados os volumes da espessura da junta do cabeçote bem como o volume existente entre a cabeça do pistão e o cilindro acima do 1º anel de compressão. Fig. 1.15 Eficiência volumétrica É a relação entre o enchimento teórico e o enchi-mento real do cilindro quando da admissão.
  16. 16. 15 Eficiência térmica É a relação entre a energia térmica convertida em trabalho pelo motor dividida pela energia térmica total gerada nas câmaras de combustão. É interessante saber que apenas uma pequena parcela de energia térmica produzida pelo motor é convertida em trabalho. A maior parte da energia produzida pela combus-tão (energia potencial da combustão) é desviada ou perdida, pois, além das perdas do calor eliminado pelos sistemas de escapamento, arrefecimento e de lubrificação, existem ainda, no caso de aplica-ção veicular, as perdas pelos atritos dos pneus, embreagem, transmissão, etc. No caso de aplica-ção veicular são convertidos em trabalho produti-vo apenas 17% da energia térmica, nos veículos a gasolina e a álcool, e 25% (aproximadamente) da mesma energia nos veículos diesel.
  17. 17. DESCRIÇÃO DO FUNCIONAMENTO DE MOTORES 16
  18. 18. 17 2 — Descrição do funcionamento de motores 2.1 — Funcionamento dos motores de quatro tempos Ciclo Otto 1º Tempo: Admissão À medida que o pistão move-se do PMS para o PMI, a válvula de admissão se abre e a mistura de ar e combustível vaporizada é aspirada para o interior do cilindro. O virabrequim efetua meia volta (180°). 2º Tempo: Compressão A seguir, a válvula de admissão fecha-se. À medida que o pistão desloca-se para o PMS, comprime a mistura de combustível e ar. O virabrequim execu-ta outra meia volta, completando a primeira volta completa (360°). 3º Tempo: Combustão Pouco antes do pistão atingir o PMS, o sis-tema de ignição transmite corrente elétrica à vela, fazendo saltar uma centelha entre os ele-trodos desta, que inflama a mistura fortemen-te comprimida. Os gases em expansão, re-sultantes da combustão, forçam o pistão do PMS para o PMI. O virabrequim efetua outra meia volta (540°). 4º Tempo: Escape Depois da queima da mistura e expansão dos ga-ses, a válvula de escape se abre. Os gases quei-mados são forçados para fora do cilindro, quando o pistão se movimenta do PMI para o PMS. O vi-rabrequim executa outra meia-volta, completando a segunda volta completa (720°). Uma vez que o pistão realiza quatro tempos — ad-missão, compressão, combustão e escape — o nome técnico dessa operação é ciclo de quatro tempos. É importante salientar que nos motores de quatro tempos, somente no tempo de COMBUSTÃO, se produz energia mecânica, enquanto que os ou-tros três são passivos, isto é, absorvem energia (Fig. 2.1). CICLO OTTO 180o 180o 180o 180o 1º Tempo: Admissão 2º Tempo: Compressão 3º Tempo: Combustão 4º Tempo: Escape Fig. 2.1
  19. 19. 18 Ciclo Diesel Nos motores tipo diesel há somente admissão de ar puro, que ao ser comprimido pelo pistão se aquece o suficiente para inflamar o óleo diesel pulverizado no interior da câmara de combustão. Tem seu fun-cionamento semelhante ao do motor à gasolina. Assim, temos no motor diesel (Fig. 2.2): 1º tempo — Admissão (de ar puro); 2º tempo — Compressão (de ar puro); 3º tempo — Combustão (pulverização de óleo diesel e expansão dos gases); 4º tempo — Escape (dos gases queimados). CICLO DIESEL Fig. 2.2 Admissão Compressão Combustão Combustão (Pulverização) (Expansão) Escape
  20. 20. 19 2.2 — Funcionamento dos motores de dois tempos Motor a gasolina ou a álcool Os motores deste tipo combinam em dois cursos as funções dos motores de quatro tempos. Sen-do assim, há um curso motor para cada volta do virabrequim. Ocorrendo a combustão, o pistão é impulsionado para baixo, fornecendo trabalho. Ao mesmo tempo, comprime no cárter a mistura que vai ser utilizada no tempo seguinte. Continuando a descer, o pis-tão descobre as janelas de escape, por onde são expelidos os gases queimados. Simultaneamente, descobre também as janelas de transferência da mistura sob pressão existente no cárter para o ci-lindro onde é comprimida e queimada, repetindo-se o ciclo (Fig. 2.3). Motor diesel Os motores diesel de dois tempos têm funcio-namento semelhante ao motor de dois tempos a gasolina ou a álcool, porém, admitem apenas ar puro, geralmente forçado no interior do cilin-dro por um compressor de baixa pressão (volu-métrico). Possui também um sistema de lubrifi-cação forçada idêntica à dos motores de quatro tempos. Fig. 2.3 MOTOR DE DOIS TEMPOS
  21. 21. 20 ÓRGÃOS ESTACIONÁRIOS Cabeçote Bloco Cárter Neste item vamos procurar definir e explicar as fun-ções dos principais componentes do motor. A fim de facilitar sua compressão, vamos apresentá-los conforme a seqüência abaixo. Estacionários l Bloco l Cabeçote l Cárter l Coletor de Admissão l Coletor de Escape Móveis l Biela l Pistão/Anel l Virabrequim l Eixo comando de válvulas l Válvulas l Conjunto de acionamento das válvulas l Polia e anti-vibrador l Bomba de óleo l Bomba-d’água Órgãos estacionários Bloco É o motor propriamente dito, no qual estão loca-lizados os cilindros ou os furos para a colocação das camisas (Fig. 2.4). Os motores arrefecidos a ar levam cilindros aleta-dos separados do bloco. Na parte inferior do bloco estão localizados os alo-jamentos dos mancais centrais onde se apóia o vi-rabrequim e em muitos casos o eixo comando de válvulas. Nos motores horizontais de cilindros con-trapostos, o virabrequim está posicionado no centro do bloco (carcaça). Este por sua vez é composto de duas partes justapostas, fixadas por parafusos. Cabeçote Serve de tampa dos cilindros, contra a qual o pis-tão comprime a mistura combustível/ar. Suporta o conjunto de válvulas e em alguns casos também o eixo comando de válvulas (Fig. 2.4). Cárter Tampa inferior do bloco, que protege os compo-nentes inferiores do motor. É onde está depositado o óleo lubrificante (Fig. 2.4). Coletor de admissão Recebe e distribui aos cilindros a mistura (Ciclo Otto) ou o ar (Ciclo Diesel) aspirado pelo pistão, através do filtro de ar. Coletor de escape Recebe os gases queimados para lançá-los à at-mosfera através do tubo de escape e silencioso. Fig. 2.4 2.3 — Órgãos principais do motor
  22. 22. 21 Órgãos móveis Biela Braço de ligação entre o pistão e o virabrequim; re-cebe o impulso do pistão, transmitindo-o ao virabre-quim. É importante salientar que este conjunto trans-forma o movimento retilíneo alternado do pistão em movimento rotativo do virabrequim (Fig. 2.5). Pistão É a parte móvel da câmara de combustão. Recebe a força de expansão dos gases queimados, trans-mitindo- a à biela, por intermédio de um pino de aço (pino do pistão). Em geral o pistão é fabricado em liga de alumínio (Fig. 2.5). Anéis Compensam a folga entre o pistão e o cilindro, dan-do a vedação necessária para uma boa compressão do motor e um melhor rendimento térmico (Fig. 2.5). Virabrequim ou eixo de manivelas ou árvores de manivelas Eixo motor propriamente dito, o qual na maioria das vezes é instalado na parte inferior do bloco, receben-do ainda as bielas que lhe imprimem movimento. Somente em motores de grande porte o virabre-quim é instalado no cárter (Fig. 2.6). Anéis Fig. 2.5 ÓRGÃOS MÓVEIS Fig. 2.6 ÓRGÃOS MÓVEIS Trava para Pino Bucha — Pé de biela Biela Pino do pistão Pistão Bronzinas Pistão Biela Virabrequim
  23. 23. 22 Eixo Comando de Válvula A função deste eixo é abrir as válvulas de admis-são e escape. É acionado pelo virabrequim, atra-vés de engrenagem ou corrente, ou ainda correia dentada (Fig. 2.7). Válvulas Válvula de Admissão: tem a finalidade de permitir a entrada da mistura combustível/ar (somente ar no motor diesel) no interior do cilindro. Válvula de Escape: tem a finalidade de permitir a saída dos gases queimados. Conjunto de acionamento das válvulas Compreende o tucho e uma haste, que o interliga ao balancim, sendo que este atua diretamente so-bre a válvula. No momento em que o eixo coman-do de válvulas gira, o ressalto deste aciona o tu-cho, que por sua vez move a haste, fazendo com que o balancim transmita o movimento à válvula, abrindo-a. Eixo Comando de Válvulas Fig. 2.8 ÓRGÃOS MÓVEIS ÓRGÃOS MÓVEIS Fig. 2.7 Há um conjunto destes (tucho, haste e balancim) para cada ressalto, isto é, um para cada válvula, tanto de admissão quanto de escape. O conjunto de acionamento das válvulas pode ser acionado através de engrenagem (Fig. 2.8), corrente ou cor-reia dentada (Fig. 2.9). Mola da Válvula Fig. 2.9 Eixo Comando de Válvulas Engrenagem do Eixo Comando de Válvulas Balancim Válvulas Haste Tucho Virabrequim Engrenagem de Acionamento Tucho Válvulas Engrenagens do Eixo Comando de Válvulas Polia Esticadora Correia Dentada Ressalto do Comando Eixos Comando de Válvulas
  24. 24. 23 Polia e anti-vibrador ou compensador harmônico Transmite, através de correia, o movimento de rota-ção do virabrequim ao alternador e à bomba, e ab-sorve as vibrações do funcionamento do motor. Bomba de óleo Mecanismo cuja finalidade é bombear o óleo do cárter e enviá-lo, sob pressão, aos diversos pontos do motor que necessitam de lubrificação. Existem vários tipos de bombas de óleo, sendo a de engre-nagem a mais utilizada (Figs. 2.10 e 2.11). BOMBA ROTATIVA Fig. 2.11 BOMBA DE ENGRENAGENS Fig. 2.10 Bomba-d’água Mecanismo destinado a efetuar a circulação de água pelo motor e radiador, para arrefecimento do motor (Fig. 2.12). BOMBA-D’ÁGUA Fig. 2.12
  25. 25. 24 2.4 — Lubrificação do motor O propósito do sistema de lubrificação do motor é duplo, a saber: l reduzir a um mínimo o atrito; l reduzir a um mínimo o calor gerado, mantendo a temperatura das peças móveis dentro dos li-mites toleráveis. Órgãos e fatores do sistema de lubrificação O sistema de lubrificação de um motor é compos-to por diversos componentes que fazem circular o óleo no sistema, controlam a pressão do mesmo e fazem a sua filtragem, de maneira que haja uma lubrificação adequada em todas as áreas de atri-to sob as diversas condições de operação. A se-guir, damos uma lista dos principais componentes e fatores que influem no funcionamento correto do sistema de lubrificação. l Filtro de sucção l Bomba de óleo l Válvula aliviadora de pressão l Filtro de óleo l Métodos para filtragem do óleo l Folga de lubrificação das bronzinas e das buchas Filtro de sucção O filtro de sucção se acha localizado na entrada da bomba de óleo. Protege a bomba de partículas gran-des que podem causar um desgaste excessivo. O filtro de sucção, quando está obstruído, pode che-gar a impedir a circulação do óleo, através do motor. O resultado desta falha de lubrificação será um desgaste excessivo, podendo causar a destruição definitiva de algumas peças (Fig. 2.13). Bomba de óleo A bomba de óleo fornece óleo sob pressão para to-das as partes do motor que assim o requerem. Válvula de alívio de pressão de óleo Geralmente a bomba de óleo em um motor tem ca-pacidade para bombear uma quantidade de óleo muito maior que a requerida. Portanto, existe no sistema de lubrificação uma válvula de alívio de pressão, com o objetivo de re-gular o fluxo de óleo, de maneira que se mantenha sempre a pressão requerida. A pressão excessiva nos motores faz com que a válvula de alívio se abra, permitindo que o excesso de óleo regresse ao cárter (Fig. 2.14). Fig. 2.13 FILTRO DE SUCÇÃO Fig. 2.14 VÁLVULA DE ALÍVIO DE PRESSÃO DE ÓLEO
  26. 26. 25 Filtro de óleo O filtro de óleo tem a finalidade de reter impurezas em suspensão no óleo lubrificante, evitando o des-gaste prematuro das peças do motor (Fig. 2.15). Métodos para filtragem do óleo Fig. 2.15 FILTRO DE ÓLEO SISTEMA DE DERIVAÇÃO SISTEMA DE FILTRAGEM COMPLETA Fig. 2.16 Nos motores mais antigos era usado o que se co-nhece com o nome de “Sistema de Derivação”, no qual o óleo se desvia pela válvula aliviadora de pres-são e passa através do filtro de óleo em seu retorno ao cárter. Outras variações deste mesmo método, incluídas na mesma categoria, são aquelas em que só uma parte do óleo que circula pelo sistema pas-sa através do filtro de óleo. Por exemplo: quando o filtro está colocado na linha que vai ao mecanismo superior das válvulas (balancins), todas as demais partes com lubrificação sob pressão recebem óleo sem filtrar, diretamente da bomba. Os sistemas de derivação filtram unicamente de 5 a 20% do óleo que circula através do sistema de lubrificação. No sistema de filtragem completa ou total, todo o óleo que passa através do sistema de lubrificação é filtrado antes que atinja as áreas a serem lubri-ficadas. Neste sistema, há uma válvula de alívio dentro do filtro para desviar o óleo ao redor do mesmo. Esta preocupação se toma para o caso em que o filtro esteja obstruído devido principalmente à manuten-ção inadequada (Fig. 2.16).
  27. 27. 26 Folga de lubrificação das bronzinas e das buchas A folga de lubrificação é a diferença entre o diâme-tro interno da bronzina ou da bucha e o diâmetro externo do respectivo eixo (Fig. 2.17). A folga de lubrificação é o fator mais importante que influi na operação correta do sistema de lubri-ficação sob pressão. Cada fabricante de motor especifica determinadas folgas para bronzinas e buchas que devem ser ob-servadas. Sistemas de lubrificação de motores Grosso modo, existem dois sistemas de lubrifica-ção para motores: l sistema de lubrificação sob pressão; l sistema de lubrificação por salpique. Pode-se encontrar em alguns motores um siste-ma de lubrificação combinado denominado Pres-são e Salpique. Sistema de Lubrificação sob Pressão O sistema de lubrificação sob pressão lubrifica as FOLGA DE LUBRIFICAÇÃO DAS partes vitais do motor a partir da bomba de óleo. As partes que se incluem na lubrificação são as bronzinas centrais e da biela, buchas de eixo co-mando de válvulas, buchas do pé de biela e, em alguns casos, também os mecanismos da distri-buição (Fig. 2.18). Fig. 2.17 BRONzINAS E BUCHAS SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO SOB PRESSÃO Fig. 2.18
  28. 28. 27 Sistema de lubrificação por salpique Em um sistema típico de lubrificação por salpique, o óleo é bombeado do cárter para uma calha com rebaixos fixada na parte inferior do bloco. Em cada volta do virabrequim, a biela recolhe com seu pescador o óleo do rebaixo e o salpica em to-das as partes móveis do motor (Fig. 2.19). SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO POR SALPIQUE Fig. 2.19
  29. 29. 28 2.5 — Sistema de alimentação do motor 2.5.1 — Sistema de alimentação do motor (Ciclo Otto) Filtro de Combustível Tem a finalidade de reter todas as impurezas que circulam no sistema de alimentação (Fig. 2.20). Para os motores que utilizam dois combustíveis in-dependentemente, foi desenvolvido um novo filtro cujas características construtivas são demonstra-das abaixo (Fig. 2.20A). Fig. 2.20 Após a solda por fricção, a tampa do filtro prende o diâmetro externo da tampa do elemento filtrante, evitando deslocamento axial, mesmo havendo deformação do papel após o uso. Fig. 2.20A Vedação entre o lado contaminado e o lado filtrado, garantida por montagem com interferência entre os diâmetros. O elemento filtrante não utiliza adesivos na junção entre papel e plastificação. Após a solda entre a tampa e a carcaça, o elemento se apóia no fundo da carcaça e na tampa, evitando deslocamento axial e falha de vedação.
  30. 30. 29 Bomba de gasolina ou de álcool Conjunto destinado a transferir do tanque o com-bustível em quantidade suficiente para alimentar o carburador. Existem três tipos: elétrica (Fig. 2.20B), mecânica (Fig. 2.20C) e a vácuo. BOMBA MECÂNICA DE GASOLINA OU ÁLCOOL Fig. 2.20C Fig. 2.20B Carburador Conjunto destinado a dosar ar e combustível para o motor, possibilitando o funcionamento do mes-mo em várias condições, tais como marcha len-ta, acelerações rápidas e rotação constante, etc. (Fig. 2.21). Os carburadores podem ser usualmente de corpo simples ou de corpo duplo e verticais ou horizontais. CARBURADOR Fig. 2.21
  31. 31. 30 CARBURADOR DE CORPO SIMPLES (CORTE) Partida a frio Nos motores a gasolina, a partida a frio deve ser dada acionando-se a borboleta do afogador (1) que, ficando praticamente fechada, criará uma depres-são no carburador formando-se dessa forma uma mistura bastante rica, que assegurará a partida do motor mesmo a baixa temperatura. O acionamento da borboleta do afogador pode ser manual ou au-tomático (bimetálico). Nos motores a álcool, além do uso do afogador, deve-se também acionar o sistema de injeção de gasolina no carburador, que pode ser manual ou automático. Marcha lenta Quando o veículo está parado com o motor em fun-cionamento, o circuito que fornece combustível para o carburador é o de marcha lenta. O combustível é dosado pelo gicleur de combustível de marcha lenta (2) e misturado com o ar admitido pelo gicleur de ar de marcha lenta (3), sendo essa mistura injetada no orifício situado abaixo da borbole-ta de aceleração (4). Para se obter uma marcha lenta conveniente deve-se ajustar o parafuso de dosagem de mistura da marcha lenta (5). Aceleração normal Durante a utilização normal do veículo (aceleração) será acionado o circuito principal do carburador, com-posto de: gicleur principal (6), venturi (7), difusor (8) e emulsionador de ar (9). Fig. 2.22 Com a borboleta do acelerador parcialmente aber-ta, a depressão existente no coletor de admissão faz com que seja aspirado o ar, que ao passar pelo venturi irá arrastar uma certa quantidade de com-bustível, dosada pelo gicleur principal, para dentro do cilindro. Aceleração total Quando a borboleta do acelerador (4) está totalmen-te aberta, além do combustível arrastado pelo fluxo do ar através do venturi, entra em ação o dispositivo chamado “bomba de aceleração”, que supre uma quantidade adicional de combustível permitindo uma pronta resposta do motor. Esse sistema é acionado mecanicamente e compos-to de diafragma, haste de acionamento, mola do dia-fragma e válvulas de retenção. Alimentação por injeção de combustível O sistema de injeção de combustível fornece a quan-tidade certa do mesmo, garantindo um rendimento otimizado do motor. No início uma minoria de carros utilizava esse sis-tema pois o seu custo ainda era elevado. As princi-pais vantagens deste tipo de alimentação são: não existem problemas de partida, principalmente a frio, a aceleração é mais rápida, o motor é mais elástico e consome menos combustível quando comparado com o alimentado por carburador. Apresentamos esquematicamente, a seguir, o prin-cípio de funcionamento dos sistemas de injeção mecânico e eletrônico de combustível. Descreveremos a seguir, sucintamente, as princi-pais condições de funcionamento do carburador de corpo simples (Fig. 2.22).
  32. 32. 31 INJEÇÃO MECÂNICA DE COMBUSTÍVEL Injeção mecânica de combustível (Fig. 2.23) Partida a frio Um sensor de temperatura (5) colocado no mo-tor faz com que o injetor suplementar (7) abra para injetar combustível no coletor de admissão (2). Simultaneamente, o motor aspira ar frio atra-vés do regulador de mistura (10), que, passando através da válvula borboleta (8), chega até a vál-vula de admissão. Mas antes da válvula de ad-missão está localizado o injetor (1). Deste modo, nas partidas a frio o motor recebe combustível de duas fontes, mas atingindo a temperatura de funcionamento o injetor suplementar (7) pára de funcionar. Marcha lenta A válvula borboleta está fechada.O ar aspirado é obrigado a dar uma volta pela válvula de ar adi-cional (3). A rotação de marcha lenta do motor é ajustada através do parafuso de regulagem (9). O injetor (1) lança no coletor de admissão (2), próximo à válvu-la, uma quantidade mínima de combustível deter-minada pelo regulador de mistura (10). Fig. 2.23 Aceleração A válvula borboleta é ligada através de um cabo ao pedal do acelerador. Esta se abre quando se aperta o pedal do acelerador, ocasionando um aumento de admissão de ar no motor e, conseqüentemente, a alavanca mecânica do regulador de mistura (10) se abre, fazendo chegar ao injetor (1) uma quanti-dade maior de combustível. Aceleração total A válvula borboleta fica totalmente aberta. A alavan-ca do regulador de mistura (10) libera o máximo de combustível para o injetor (1). O distribuidor de ignição (6), no sistema de injeção mecânica de combustível, possui um gerador adi-cional de impulsos elétricos que determina o tempo de trabalho do injetor (1) baseando-se no regulador de pressão (4). Uma bomba elétrica (13) retira combustível do tan-que (16) e abastece o sistema, fazendo-o passar primeiro pelo acumulador de combustível (14) e pos-teriormente pelo filtro (15). A pressão no conduto é sempre de 5 bar e o excesso de combustível volta novamente para o tanque.
  33. 33. 32 Este sistema de injeção utiliza poucos elementos mecânicos móveis (válvulas borboleta, regulador de mistura e injetor) e isso diminui o desgaste e as prováveis quebras. Injeção eletrônica de combustível Com a modernização dos veículos e os grandes avanços tecnológicos, abrem-se novas perspecti-vas para a indústria automobilística. A injeção eletrônica de combustível é uma das inovações tecnológicas mais importantes dos úl-timos anos. O cérebro deste sistema sofisticado é uma central de comando (módulo). A unidade de comando recebe uma série de sinais de en-trada, provenientes dos sensores instalados no motor, que enviam informações precisas referen-tes ao seu funcionamento. A unidade, por sua vez, processa as informações recebidas e calcu-la o tempo adequado de injeção através de um sinal elétrico. Atualmente existem dois sistemas de injeção eletrônica: o sistema mono-point e o multi-point. Mono-point O sistema mono-point é dotado de apenas um bico injetor comandado eletronicamente, que efe-tua a injeção do combustível no coletor de admis-são, alimentando os quatro cilindros. A função do sistema é proporcionar para o motor uma exa-ta mistura ar/combustível em qualquer regime de funcionamento do mesmo, visando uma perfeita combustão com menor consumo de combustível emitindo gases de escape mais limpos (menor índice de poluentes), partida a frio mais rápida e menor desgaste dos componentes, reduzindo a manutenção. MONO-POINT Fig. 2.24A
  34. 34. 33 MULTI-POINT Fig. 2.24B Multi-point O sistema multi-point é o mais desenvolvido. É um sistema dotado de quatro bicos injetores co-mandado eletronicamente, que efetua a injeção do combustível no coletor de admissão, alimentando individualmente cada cilindro, podendo ser simul-tâneo ou seqüencial. Neste sistema o módulo comanda o sistema de injeção e o sistema de ignição. Através do proces-samento digital de dados e do emprego de micro-processadores, é possível converter um grande nú-mero de dados operacionais em dados de injeção e ignição controlados por mapeamento. Com o sistema multi-point consegue-se um melhor rendimento do motor, pois cada cilindro irá receber a quantidade exata de mistura ar/combustível, ga-rantindo assim: um menor consumo de combustível, maior potência, aceleração sem atraso, melhora da partida a frio e fase de aquecimento, e baixo teor de poluentes nos gases de escape.
  35. 35. 34 Tecnologia Motor 1.0 16V Turbo O motor 1.0 16V Turbo tem um controle otimizado, através da utilização de uma Unidade de Controle Eletrônico (ECU), com os melhores recursos de cali-bração de injeção e ignição existentes no mercado. O sistema possui ainda, como diferencial, a corre-ção dinâmica para avanço de ignição que prioriza o torque (Nm) do motor em qualquer regime. O sis-tema de gerenciamento do motor controla a válvula reguladora de pressão do turbo (Waste Gate). Essa válvula mantém o nível máximo de potência e torque independente das variações ambientais. Outro componente, o HFM (Hot Film Mass) é um sensor de massa de ar que mede, direta e precisa-mente, a quantidade de ar admitida pelo motor e, com isso, otimiza a relação ar/combustível melho-rando a dirigibilidade e as emissões de poluentes. O motor está equipado com dois sensores de de-tonação localizados entre os cilindros 1 e 2, e o outro nos cilindros 3 e 4, que evitam a ocorrência de detonação, através da informação à ECU, que toma as medidas necessárias para obter a melhor performance com o menor consumo. O motor 1.0 16V Turbo recebeu as adequações tecnológicas dos motores mais modernos. Estas são as responsáveis por fazer com que este motor desenvolva potência e torque elevados. Fig. 2.24C Válvula de controle de rotação do turbo Canister Intercooler Motronic Waste gate Turbo compressor Reservatório de Combustível
  36. 36. 35 2.5.2 — Sistema de alimentação do motor (Ciclo Diesel) Bomba de alimentação (ou transferência) de combustível Pode ser de pistão ou de diafragma e serve para transferir o óleo combustível do tanque para a bom-ba injetora, fazendo-o passar por um elemento fil-trante (detalhe A — Fig. 2.25). Filtro de combustível Tem a finalidade de reter todas as impurezas que circulam no sistema de alimentação. Dispõe de uma válvula cuja finalidade é manter constante a pres-são do combustível para a bomba injetora, evitan-do dessa maneira o borbulhamento ou a deficiência de combustível. Em alguns motores essa válvula é colocada na bomba em vez de ser posta no filtro (detalhe B — Fig. 2.25). Bomba injetora Conjunto destinado a regular o débito do óleo com-bustível e injetá-lo, através dos bicos injetores, nos cilindros. Existem dois tipos: em linha e rotativa. Bomba em linha É um mecanismo de injeção, de pistões múltiplos e curso constante, que deve bombear a quanti-dade de combustível exigida pela carga do motor, mantendo essa carga constante de ciclo para ciclo bem como de cilindro para cilindro, no tempo exa-to, a despeito da rotação do motor. A quantidade de combustível injetada é regulada pelo movimento semi-rotativo dos pistões, os quais possuem uma ranhura em hélice permitindo a passagem de maior ou menor quantidade de óleo diesel na câmara de compressão da bomba. O movimento semi-rota-tivo dos pistões é dado pela cremalheira que está ligada ao regulador de rotação (Fig. 2.25). BOMBA DE INJEÇÃO DE COMBUSTÍVEL — EM LINHA Fig. 2.25
  37. 37. 36 Bomba Rotativa É um mecanismo de injeção de um único ele-mento de bombeamento (2 pistões contrapostos em um cilindro transversal), fornecendo por meio de uma válvula dosadora a quantidade exata de combustível ao motor, através de um distribuidor giratório na ordem de explosão, independente da quantidade de cilindros e rotação do mesmo (Figs. 2.26 e 2.27). BOMBA DE INJEÇÃO DE COMBUSTÍVEL — ROTATIVA Fig. 2.27 Fig. 2.26 Bico Injetor A sua principal função é injetar o combustível na pré-câmara de combustão (injeção indireta) ou na câmara de combustão (injeção direta) num jato fi-namente atomizados (Figs. 2.28 e 2.29). INJEÇÃO DIRETA E INJEÇÃO INDIRETA Fig. 2.28 Fig. 2.29 BICO INJETOR Entrada de Combustível
  38. 38. 37 Vela de Incandescência A fim de facilitar a partida, isto é, com o motor frio, os motores diesel de injeção indireta pos-suem velas de incandescência que, ao recebe-rem corrente elétrica, aquecem o ar no interior da pré-câmara, facilitando a queima do óleo die-sel pulverizado na câmara de combustão (Figs. 2.30 e 2.31). Fig. 2.30 Fig. 2.31 VELA DE INCANDESCêNCIA 2.5.3 — Superalimentação A potência máxima desenvolvida por motores à combustão interna pode ser aumentada com a elevação da pressão de admissão. Este aumento é obtido com a aplicação de um sis-tema denominado Superalimentação. Este pro-cesso consiste em forçar para dentro do cilindro a mistura ar/combustível ou somente ar no motor Ciclo Diesel. Elevando-se a densidade do ar, através do aumento da pressão de admissão, consegue-se um aumen-to de potência acompanhado de um acréscimo de eficiências térmica e volumétrica, alcançando-se dessa forma um aumento do rendimento do mo-tor e a diminuição do seu consumo específico de combustível. A superalimentação pode ser obtida com a utiliza-ção de dispositivos chamados Superalimentado-res, que podem ser acionados mecanicamente ou por meio dos gases de escape. Os superalimentadores acionados mecanicamen-te, por meio de engrenagens, correias, etc., são denominados Compressores Volumétricos (Fig. 2.32). Aqueles acionados pelos gases de escape são denominados Turboalimentadores e são os mais empregados atualmente. COMPRESSOR VOLUMéTRICO Fig. 2.32
  39. 39. 38 TURBO ALIMENTADOR Fig. 2.33 Os turboalimentadores são compostos por uma turbina e por um compressor ligados mecanica-mente por um eixo. A turbina alimentada pelos ga-ses de escape que estão a elevadas temperaturas movimenta o compressor. Este por sua vez aspira a mistura ar/combustível ou somente ar, forçando-a dentro do cilindro (Fig. 2.33). Para motores de aviação, e para aqueles que ope-ram em altitudes elevadas, a superalimentação é necessária devido à rarefação do ar. Tendo em vista a proximidade entre a turbina e o compressor, os gases de escape a elevadas tempe-raturas aquecem o ar, introduzido no motor fazendo com que a sua eficiência volumétrica diminua. Em alguns motores, para compensar essa diminui-ção de eficiência volumétrica e para aumentar ainda mais a sua potência, o ar, antes de ser introduzido no cilindro, passa através de um intercambiador de calor (ar/ar ou ar/água), para diminuir a sua tempe-ratura, aumentando assim a sua densidade. Para aplicação veicular, o mais usual é o sistema ar/ar, enquanto que para os motores estacionários nor-malmente se usa o sistema ar/água (Fig. 2.34). Fig. 2.34
  40. 40. 39 Injeção eletrônica de combustível A injeção eletrônica de combustível em motores diesel tem como objetivo satisfazer as exigências muito severas de proteção do meio ambiente. Para isso foi desenvolvido um sistema eletrônico de comando de injeção. Um módulo de comando recebe sinais do pedal do acelerador e de senso-res instalados no motor. Os sensores detectam as informações de funcionamento do motor e enviam para o módulo de comando. As unidades injetoras são comandadas mecanica-mente pela árvore de comando na cabeça dos cilin-dros e eletronicamente pelo módulo de comando. Com isso a injeção de combustível é alterada de acordo com a solicitação e a rotação do motor. Bomba de alimentação A bomba de alimentação é movida a partir da dis-tribuição do motor. Sua finalidade é fornecer a pressão e o fluxo cor-reto para todas as unidades injetoras. O fluxo deve ser suficientemente elevado para equalizar eventuais diferenças de temperatura no com-bustível e no canal de combustível na cabeça de cilindro. Bomba manual A bomba manual está montada no suporte do fil-tro de combustível e usa-se para poder encher o sistema de combustível e purgar o ar do sistema quando o motor está parado. Válvula de retenção Na saída do canal de combustível está montada uma válvula de retenção. A válvula de retenção mantém a pressão do sistema de combustível. A pressão de abertura da válvula é de cerca de 3,5 bar. 1 – Bomba de alimentação 2 – Módulo de comando 3 – Tubo de purga de ar 4 – Canal de combustível 5 – Unidade injetora 6 – Válvula de retenção 7 – Depósito de combustível 5 4 3 2 8 – Filtro de combustível 1 6 7 8 Fig. 2.35
  41. 41. 40 Common Rail A primeira bomba injetora em linha, fabricada em série no ano de 1927, criou as condições para o emprego do motor diesel de alta rota-ção em veículos automotivos. Ainda hoje alguns motores utilizam a bomba injetora. O sistema de injeção de pressão modulada “Com-mon Rail” para motores de injeção direta abre no-vos conceitos: l Grande área de aplicação, desde motores com potência de 30kW/cilindro até 200kW/cilindro. l Alta pressão de injeção de até cerca de 1.400 bar. l Início de injeção variável. l Volume de injeção, pressão no “Rail” e início de injeção adaptada a cada regime de funciona-mento. No sistema de injeção de pressão modulada “Com-mon Rail”, produção de pressão e injeção são desa-copladas. A pressão de injeção é produzida indepen-dente da rotação do motor e do volume de injeção, e está no “Rail” (acumulador de combustível de alta pressão) pronta para a injeção. Momento e quantida-de de injeção são calculados na unidade de coman-do eletrônica e transportados pelo injetor em cada cilindro do motor através de uma válvula magnética ativada. Com o injetor e a alta pressão sempre cons-tante, obtém-se uma curva de injeção muito precisa. Com a ajuda de sensores instalados no motor, a uni-dade de comando capta as informações e tem condi-ções de comando e regulagem sobre o veículo e, prin-cipalmente, sobre o motor. A função básica é controlar a injeção do diesel no momento certo, na quantidade exata e com a máxima pressão possível. Assegura, desta maneira, um funcionamento silencioso, econô-mico e pobre em poluentes do motor diesel. Fig. 2.36
  42. 42. 41 2.6 — Sistema de ignição nos motores (Ciclo Otto) 2.6.1 — Sistema convencional (Fig. 2.37) Este sistema é composto pelas seguintes peças: l Bateria — alimenta com baixa voltagem o pri-mário da bobina. l Bobina — dispositivo destinado a elevar a volta-gem elétrica recebida da bateria para alimentar as velas através do distribuidor. l Distribuidor — dispositivo destinado a interrom-per ou alternar a baixa voltagem de alimentação do primário da bobina e também distribuir a alta voltagem de saída da bobina para as velas. SISTEMA CONVENCIONAL Os principais componentes do distribuidor são: platinado, condensador e rotor. O platinado dis-põe de um contato, comandado pelos ressal-tos do eixo do distribuidor, que, quando abre, interrompe ou alterna a baixa voltagem de ali-mentação da bobina e permite a aplicação da alta voltagem nas velas. A corrente no contato, no instante da interrupção, é da ordem de 2A a 3A, que é considerada alta, e provoca des-gaste no contato. Fig. 2.37 O condensador é um dispositivo cuja finalidade é eliminar o centelhamento no platinado e au-mentar a alta voltagem do secundário da bobina destinada às velas. O rotor fica acoplado na parte superior do eixo do distribuidor e serve para distribuir a alta voltagem para as velas, no momento exa-to em que cada pistão estiver comprimindo a mistura. l Vela — dispositivo através do qual a faísca oca-sionada pela alta tensão inflama a mistura com-primida no cilindro. Fig. 2.38 VELA DE IGNIÇÃO Além disso, as velas de ignição devem resistir a mudanças bruscas de temperatura e pressões, alta voltagem, vibração mecânica e corrosão química dos gases da combustão. As velas podem ser classificadas de acordo com seu grau térmico como quentes ou frias. É acon-selhável, na substituição das velas, observar o índice térmico recomendado pelo fabricante do motor (Fig. 2.38).
  43. 43. 42 2.6.2 — Sistemas de ignição com semicondutores Sistema transistorizado com platinado O Sistema Transistorizado com Platinado utiliza o platinado como “interruptor mecânico” ligado ao circuito de base do transistor. Desse modo o tran-sistor é ligado e desligado. Como a corrente de base do transistor é muito menor que a da bobina (aproximadamente 1/10), o platinado praticamente não se desgastará nem será preciso o uso do condensador. A saturação da bobina fica garantida e assim a voltagem no seu secundário é a máxima possível. Como a bobina deve ser dimensionada especial-mente para este sistema de ignição e a ligação é instantânea, não há queda de voltagem no secun-dário devido à rotação do motor. Algumas das vantagens que o Sistema Transistori-zado com Platinado apresenta são as seguintes: l corrente pequena no platinado; l obtenção de maior corrente no primário da bo-bina (cerca de 20% a mais); l produção de maior voltagem no secundário da bobina; l o sistema não é afetado pela rotação do motor. Como este sistema não elimina o platinado, pode-mos “reverter” para o sistema convencional no caso de falha do sistema eletrônico. Sistema transistorizado sem platinado ou sistema de impulso magnético (Fig. 2.39) Neste sistema o platinado é substituído por um “sensor” ligado à mesma base do circuito anterior. Este sensor magnético é formado por um ímã perma-nente e por uma bobina de captação de voltagem. O ímã permanente possui um dente para cada cilindro, sendo o substituto do came convencio-nal. O resto do sistema do distribuidor permane-ce inalterado. Como a voltagem na saída do sensor é muito peque-na, usa-se um “amplificador de pulsos” para excitar o transistor que liga e desliga o primário da bobina. A bobina também é especialmente projetada para este sistema. No primário ela tem menos espiras e de fio mais grosso, e no secundário mais espiras que a bobina comum. Portanto produz maior voltagem no secundário, inclusive em altas velocidades. Além dos sistemas citados existem outros, pouco usados no Brasil, tais como ”Sistema de Ignição por Descarga Capacitiva” e “Sistema Conjugado de Ignição”. SISTEMA TRANSISTORIzADO SEM PLATINADO Fig. 2.39
  44. 44. 43 2.7 — Sistema de arrefecimento O sistema de arrefecimento é muito importante porque ele tem por finalidade absorver o exces-so de calor gerado durante o funcionamento do motor, mantendo a temperatura do mesmo dentro dos limites especificados em seu projeto. Há dois sistemas básicos: 2.7.1 — Arrefecimento direto por meio de ar (forçado) É um sistema simples aplicado em alguns tipos de motores, dotado de uma ventoinha (ventila-dor), acionada pelo próprio motor do veículo, que força o ar a passar entre as aletas nos cilindros e nos cabeçotes, retirando o calor (as aletas ser-vem para aumentar a área de contato com o ar) (Fig. 2.40). 2.7.2 — Arrefecimento por meio de líquido É um sistema, largamente empregado hoje, nor-malmente composto de bomba-d’água, radiador, ventilador, válvula termostática, tanque de expan-são SISTEMA DE ARREFECIMENTO (por meio de líquido) Fig. 2.40 Fig. 2.41 e tampa (Fig. 2.41). Bomba-d’água É um dispositivo do sistema de arrefecimento desti-nado a fazer circular o líquido arrefecedor pelas ga-lerias existentes no bloco e no cabeçote do motor, e pelo radiador (detalhe A - Fig. 2.41). Tampa do radiador Ventilador Radiador Temperatura da água Bomba-d’água Válvula termostática Aquecedor interno do veículo Galerias de água B A C
  45. 45. 44 Radiador Dispositivo principal do sistema de arrefecimento por meio de líquido destinado a retirar o calor do líquido arrefecedor que circula no motor, pela passagem de ar através do conjunto tubos e colméia (Fig. 2.42). Na maioria dos casos possui um defletor que serve para melhorar a circulação do ar em baixas velocidades. Ventilador Dispositivo destinado a forçar a passagem de ar através do conjunto tubos e aletas do radiador. Pode ser acionado pelo motor do veículo (detalhe B — Fig. 2.41) ou por um motor elétrico (eletroven-tilador) comandado por um sensor térmico ou ain-da por um acoplamento eletromagnético também comandado por um sensor térmico. Tanque de expansão É um dispositivo que serve para armazenar o líquido arrefecedor que se expandiu do ra-diador devido ao seu aquecimento. Quando o motor esfria, surge um vácuo no radiador que faz o líquido arrefecedor retornar do tanque expansor para o mesmo. Com isso mantém-se a quantidade do líquido arrefecedor cons-tante no sistema, evitando-se freqüentes re-posições RADIADOR E TANQUE DE EXPANSÃO Fig. 2.42 (detalhe A — Fig. 2.42). Nos sistemas mais modernos, o tanque de expan-são é pressurizado e está ligado diretamente no radiador. Tubos do radiador Dreno do radiador Tampa do radiador Colméia do radiador Tanque de expansão
  46. 46. 45 Tampa do radiador É um dispositivo que tem várias funções: mantém a pressão elevada no radiador, fazendo com que o ponto de ebulição do líquido arrefecedor fique mais alto; forma ainda uma câmara de dupla vedação no bocal do radiador, com três guarnições, sendo uma fixa e duas acionadas por molas; a volta do lí-quido para o radiador, quando o motor estiver frio, ocorre automaticamente, pois a pressão no radia-dor é inferior à do tanque de expansão; a diferen-ça de pressão consegue abrir a válvula central ao comprimir a mola (Fig. 2.43). No sistema de arre-fecimento pressurizado, a tampa do radiador fica colocada no tanque de expansão. Válvula termostática (termostato) É um dispositivo cuja finalidade é impedir que o líquido circule pelo radiador, até que o motor atin-ja rapidamente a temperatura de funcionamento (Fig. 2.44). Nesta temperatura ela se abre, permitindo a circu-lação do líquido arrefecedor pelo sistema. A partir TAMPA DO RADIADOR Fig. 2.43 deste ponto ela controla a temperatura do motor abrindo ou fechando e desta forma regulando o fluxo do líquido arrefecedor pelo radiador (detalhe C — Fig. 2.41). Fig. 2.44
  47. 47. PRINCIPAIS IRREGULARIDADES DOS MOTORES A COMBUSTÃO 46 INTERNA
  48. 48. 47 3 — Principais irregularidades dos motores a combustão interna 3.1 — Introdução Todo motor, como qualquer outro equipamento, so-fre envelhecimento com o tempo e com o uso, che-gando a apresentar falhas. No caso de motores a combustão interna, esses também podem apresen-tar defeitos decorrentes do desgaste da operação, ou mesmo manutenção e reparos inadequados. Inicialmente daremos um relato dos fenômenos de combustão e dos efeitos da detonação e pré-igni-ção, e em seguida as causas mais comuns de fa-lhas em motores a combustão interna. 3.2 — Combustão Combustão normal A combustão normal num motor Ciclo Otto é aque-la que produz uma queima controlada da mistura ar/combustível, e que gasta de 1 a 4 milésimos de segundo do início ao término da mesma. Imediatamente após a mistura ser ignizada pela centelha da vela, a frente da chama propaga-se a partir do ponto de ignição, na forma de círculos sempre crescentes, com velocidade de até 80 km/h. Como a mistura queima numa velocidade contro-lada, os gases são aquecidos e a sua temperatu-ra pode alcançar valores de 1.100ºC até 1.600ºC. Junto com esse acréscimo de temperatura existi-rá, conseqüentemente, um aumento da pressão no cilindro. Esta, portanto, é a combustão normal que converte energia química em mecânica (Fig. 3.1). Qualquer outra combustão que não se processe dessa forma é considerada combustão anormal, tais como: detonação e pré-ignição. Fig. 3.1
  49. 49. 48 Detonação A detonação pode ser definida como uma combus-tão proveniente da reação rápida e espontânea de uma parte da mistura ar/combustível, quando esta é submetida a pressões e temperaturas crescen-tes originadas da combustão normal. A mistura é ignizada pela centelha da vela e a combustão se processa normalmente até que a frente de chama, avançando, superaquece, por compressão e radia-ção, os gases ainda não queimados. Surge então uma chama não controlada, que pode provocar algo semelhante a uma explosão na câmara. Essa frente de chama secundária avança com velocidade supersônica até colidir com a frente original, criando o ruído característico de “batida”, que ressoa sobre as paredes e as superfícies da câmara (Fig. 3.2). A detonação cria uma explosão com pressões e velocidades violentas dentro da câmara. Como o motor não pode efetivamente utilizar essa energia, ela é dissipada na forma de calor e vibrações de alta freqüência, que podem exercer esforços sobre os pistões e os anéis além dos seus limites de re-sistência mecânica. Os topos dos pistões são per-furados, as cabeças sofrem erosão, as zonas dos anéis são fraturadas e os próprios anéis quebrados, Fig. 3.2 tudo isso devido a essa energia não utilizável. Além dessas forças tão destrutivas existe ainda o seguinte problema adicional. A queima da mistura no espaço de tempo muito curto devido à existên-cia de duas frentes de chama, mais a velocidade da frente secundária, elevam a pressão e tempe-ratura de combustão a níveis perigosos. O fluxo de calor adicional ultrapassa os limites de troca de calor do sistema de arrefecimento com a câmara e as paredes do cilindro, causando um superaque-cimento que irá favorecer cada vez mais a detona-ção Fig. 3.3 (Fig. 3.3). As principais causas que podem provocar a de-tonação são: l combustível inadequado com baixo índice de octana; l taxa de compressão muito alta; l má regulagem da mistura ar/combustível; l ignição muito avançada; l carga excessiva do motor; l depósitos de carvão nos pistões ou no cabe-çote.
  50. 50. 49 Fig. 3.4 Pré-ignição A pré-ignição provoca a queima da mistura antes do tempo normal de combustão (muito cedo), ao contrário da detonação que a atrasa. A pré-ignição ocorre quando a mistura ar/combustível é queimada por um fonte não controlada antes de ser ignizada pela faísca da vela. A pré-ignição pode destruir um motor em minutos. Ela provoca uma reação muito rápida da mistura ar/combustível, porque cria duas frentes de cha-ma sendo queimadas simultaneamente (Fig. 3.4). Isto gera altas temperaturas, às vezes acima de 2.200ºC, e, ao mesmo tempo, as pressões de pico são aproximadamente o dobro (cerca de 8.200 kPa contra 4.100 kPa) das pressões da combustão nor-mal (Fig. 3.5). O instante dessas pressões de pico agrava ainda mais o problema. Como a mistura foi queimada prematuramente, a pressão de pico é normalmente atingida um pouco antes do PMS. Isso deixa me-nos espaço para os gases em combustão, o que aumenta as pressões de pico. Entretanto, o pistão está sendo forçado para cima contra uma chama do tipo “maçarico”. E, embora o pistão esteja pró-ximo do PMS, as paredes do cilindro ficam pouco expostas havendo assim uma área menor da sua superfície para troca de calor. À medida que a temperatura das peças se eleva, a pré-ignição começa a ocorrer cada vez mais cedo no ciclo, adiantando-se à faísca da vela e diminuin-do a potência do motor. No caso de motores monocilíndricos, a potência iria diminuindo progressivamente até que o motor viesse a parar. Nos multicilíndricos, os outros cilin-dros mantêm o motor em movimento o que acaba causando a falha do cilindro com pré-ignição. Nor-malmente, as excessivas pressões e temperaturas resultantes da pré-ignição chegam a ocasionar até um furo no topo do pistão. As principais causas de ocorrência da pré-igni-ção são: l depósitos de carvão que permanecem incan-descentes; l velas de tipo excessivamente quente para o motor; l detonação e suas causas; l combustível inadequado; l pontos quentes nas câmaras de combustão; l cabos de vela de dois cilindros adjacentes sepa-rados de 90º na rotação, e um a seguir do outro na ordem de ignição. Fig. 3.5
  51. 51. 50 3.3 — Causas do baixo rendimento Os principais sintomas de funcionamento anormal de um motor são: l baixa pressão de óleo; l consumo de combustível acima do normal; l consumo excessivo de óleo lubrificante; l falhas de funcionamento; l ruídos no motor; l superaquecimento. Baixa pressão de óleo Cada modelo de motor funciona sob uma pressão de óleo especificada para uma determinada rota-ção. A queda de pressão de óleo pode ser causa-da principalmente por: l bomba de óleo com desgaste ou defeituosa; l diluição do óleo lubrificante por água ou com-bustível; l filtro de óleo parcialmente obstruído; l folga excessiva nas bronzinas; l peneira de sucção parcialmente obstruída; l superaquecimento do motor; l válvula de alívio de pressão defeituosa. Consumo de combustível acima do normal Isto pode ser causado, principalmente, por: l condições defeituosas das válvulas; l falhas no carburador ou na bomba injetora e/ou no bico injetor; l método e condição de operação do veículo; l perda de compressão devido a anéis gastos e camisas ou cilindros na mesma condição; l ponto de injeção ou ponto de ignição fora do especificado. Consumo excessivo de óleo lubrificante Indica que uma excessiva quantidade de óleo lu-brificante está chegando à câmara de combustão e se queima ali. Esta condição pode ser causada principalmente por: l alteração da pressão de abertura da válvula de alívio de pressão; l anéis gastos, presos e/ou quebrados; l camisas ou cilindros gastos; l hastes e guias das válvulas com desgaste; l vazamentos através de juntas e retentores. Quando a fumaça de escape apresenta uma colo-ração azul clara, ela indica que está havendo um consumo de óleo lubrificante. Contudo deve ser observada a especificação do consumo de óleo estabelecida pelo fabricante do motor (Fig. 3.6). Falhas de funcionamento As causas mais comuns de falhas de funcionamen-to são as seguintes: l carburador, bomba injetora ou bico injetor com regulagem inadequada; l contaminação do combustível; l detonação; l entrada falsa de ar no sistema de alimentação; l falhas no sistema de ignição ou no sistema de injeção; l motor superaquecido; l perda de compressão através dos anéis ou das válvulas; l velas sujas e inadequadas. Ruídos no motor Os ruídos no interior do motor, em algumas oca-siões, são de difícil localização e podem ser cau-sados principalmente por: l detonação; l folga e/ou desgaste axial excessivo do virabrequim; l folga e/ou desgaste excessivo das bronzinas; l folga e/ou desgaste excessivo entre os elemen-tos de sincronismo do comando (tuchos, balan-cins, válvulas, correntes, etc); l folga e/ou desgaste lateral excessivo das bielas; l folga e/ou desgaste excessivo das buchas de pé de biela; l folga e/ou desgaste excessivo entre o pistão e o cilindro. dos motores
  52. 52. 51 CONSUMO DE ÓLEO LUBRIFICANTE Superaquecimento O superaquecimento pode ser causado principal-mente por: l bomba-d’água defeituosa; l correia do ventilador ou da ventoinha frouxa ou rompida; l falta de água no sistema de refrigeração; l ponto de ignição ou ponto de injeção incorreto; l radiador obstruído; l tampa do radiador defeituosa; l válvula termostática operando inadequadamente. Resumo Para restaurar a eficiência da operação de um mo-tor, deverão ser analisados todos os fatores ante-riormente descritos que podem contribuir para o funcionamento anormal do motor. O mecânico deverá determinar e realizar todo o trabalho que seja necessário para corrigir as fa-lhas e deixar o motor em condições normais de funcionamento. Guias de válvula Junta do cabeçote Hastes Tuchos Fig. 3.6 Válvula termostática Bomba-d’água Mancais de biela Correia ventilador/ bomba-d’água Retentor dianteiro do virabrequim Bujão do cárter Peneira de sucção Mancais centrais Retentor traseiro do virabrequim Retentor eixo comando Balancins
  53. 53. 52 PISTÕES
  54. 54. 53 4 — Pistões 4.1 — Objetivos e princípio de funcionamento 4.2 — Nomenclatura do pistão No sentido de se obter uma maior padronização no uso das denominações das diversas partes componentes do pistão, damos a seguir a nomen-clatura adotada, bem como a definição dos prin-cipais termos (Figs. 4.2.1, 4.2.2 e 4.2.3). O termo recomendado pela ABNT é “êmbolo”. Preferimos conservar a designação “pistão”, que nos é mais familiar e semelhante às de outras línguas. Pistão Peça de forma cilíndrica, geralmente de liga de alumínio ou ferro fundido, fechada na parte supe-rior e aberta na parte inferior, adaptando-se per-feitamente ao diâmetro do cilindro ou da camisa do motor. O pistão transmite, através de um mo-vimento alternado, a força, devido à pressão dos gases em expansão, por intermédio do pino e da biela, para o virabrequim. Nomenclatura DP = Diâmetro Nominal do Pistão KH = Altura de Compressão + Saliência (Ressalto) = Depressão (Rebaixo) GL = Comprimento Total do Pistão S = Espessura da Cabeça F = Zona de Fogo zA = Zona dos Anéis SL = Comprimento da Saia AA = Distância entre os Cubos DCA = Distância entre Canaletas para Argola BO = Diâmetro do Furo para Pino ST = Espessura da Parede entre Canaletas LC = Largura da Canaleta DFC = Diâmetro do Fundo da Canaleta O pistão constitui a parede móvel da câmara de combustão. Por isso fica submetido às altas tem-peraturas aí reinantes e também a esforços me-cânicos devido à pressão dos gases. Estas pressões, que na cabeça do pistão alcan-çam de 4 a 9 Mpa (90 atmosferas) no motor a ga-solina e até 180 Mpa (1.800 atmosferas) no motor diesel, dão origem a tensões de trabalho na saia de 40 a 60 N/cm. A inclinação da biela dá origem a uma componen-te perpendicular à parede do cilindro, que tam-bém vai exigir do pistão qualidades de resistência ao desgaste. Portanto, os esforços mecânicos provêm das for-ças resultantes da pressão dos gases, das for-ças de inércia devidas às massas em aceleração ou desaceleração (pistão, anéis, pinos, parte da biela), forças devidas à reação da parede do ci-lindro proveniente da inclinação da biela e, es-pecialmente, nas paredes das canaletas, forças devidas aos anéis (inércia e vibração). O con-sumo de óleo e a vedação entre a câmara de combustão e o cárter dependem da precisão da usinagem do cilindro e dos anéis. Mas, através das canaletas, o pistão desempenha o impor-tante papel de garantir apoio uniforme e corre-to aos anéis, e também transferir para o cilindro uma parte do calor gerado através do controle do fluxo de calor.
  55. 55. 54 A — Cabeça Parte superior do pistão, situada acima da saia, onde estão localizadas todas ou quase todas as canaletas para anéis. A1 — Topo Superfície superior da cabeça contra a qual os ga-ses de combustão exercem pressão. Pode ser pla-na, côncava, convexa, possuir rebaixos para válvu-las, câmaras de combustão, etc. zA — zona dos anéis Parte da cabeça onde estão localizadas as cana-letas para os anéis. KH — zona de fogo Parte da zona dos anéis compreendida entre o topo e a 1ª canaleta. Nesta zona poderão existir ressaltos ou ranhuras para redução do atrito com a parede do cilindro e atuar como barreira térmica. A2 — Canaletas para anéis de compressão Canaletas situadas ao longo da circunferência do pistão, na parte superior da zona dos anéis. A3 — Canaletas para anéis de óleo Canaletas ao longo da circunferência do pistão, na parte mais baixa da zona dos anéis e em alguns casos também na saia do pistão. São geralmente mais largas do que as para anéis de compressão e têm orifícios ou fendas no fundo para o retorno do óleo lubrificante. A4 — Paredes entre canaletas As partes da zona dos anéis que separam duas canaletas entre si. A5 — Fundo das canaletas Profundidade das canaletas que limita o movimen-to radial dos anéis. A6 — Porta-anel Uma ou mais inserções de aço ou de ferro fundido, NOMENCLATURA DO PISTÃO Fig. 4.2.1 Fig. 4.2.2
  56. 56. 55 num pistão de liga de alumínio ligada, metalúrgica ou mecanicamente, durante o processo de fundi-ção nas quais são usinadas canaletas para anéis de compressão. A7 — Plugue Peça de aço, inserida no topo do pistão de mo-tores diesel, com a finalidade de proteger a zona de injeção. A8 — Pinos de segurança Pinos inseridos nas canaletas com a finalidade de evitar a rotação dos anéis, geralmente usados nos motores de dois tempos. A9 — Nervuras Reforços nas paredes internas do pistão. B — Saia Parte do pistão compreendida entre a cabeça e a boca. A saia forma uma superfície de deslizamento e guia do pistão dentro do cilindro. B1 — Boca A extremidade inferior aberta do pistão. B2 — Superfície de contato de maior pressão Parte da saia do pistão que suporta o maior es-forço lateral. B3 — Superfície de contato de menor pressão Parte da saia do pistão diametralmente oposta à superfície de contato de maior pressão. B4 — Chapas autotérmicas Chapas de aço inseridas na parte interna do pis-tão, na região dos cubos, durante o processo de fundição. B5 — Fendas transversais Cortes no fundo da canaleta de óleo, ou logo abaixo da mesma, com a finalidade de permitir passagem de óleo, servir como barreira térmica e dar maior flexibilidade à saia. Sentido de rotação do virabrequim NOMENCLATURA DO PISTÃO Fig. 4.2.3
  57. 57. 56 B6 — Fendas longitudinais Corte na saia, com a finalidade de permitir maior elasticidade da mesma e de controlar a sua ex-pansão térmica. B7 — Espelhos Rebaixos existentes na saia, na região do furo para pino, geralmente não usinados. B8 — Excêntricos Rebaixos usinados na saia, na região do furo para pino. Distinguem-se dos espelhos por serem de pequena profundidade e concordarem com a ova-lização do pistão. B9 — Anel autotérmico Anel de aço engastado no pistão, durante o pro-cesso de fundição. Tem a finalidade de controlar a dilatação térmica. C — Furo para pino do pistão Furo situado na saia para alojamento do pino do pistão. Nas extremidades da superfície interna do furo para pino, podem haver canaletas para aloja-mento de travas do pino. O furo para pino pode ser centrado ou deslo-cado lateralmente em relação à linha de centro do pistão. C1 — Bucha do furo para pino do pistão Bucha de metal colocada no furo para o pino do pistão, usada geralmente em pistões de fer-ro fundido. C2 — Pino do pistão Peça de aço, tratada termicamente, que serve de articulação entre o pistão e a biela. C3 — Travas Peças de aço, geralmente em forma de argo-la, destinadas a limitar o movimento longitudi-nal do pino. C4 — Protetores do cilindro Peças de alumínio montadas nas extremidades do pino, a fim de evitar o contato do mesmo com as paredes do cilindro. C5 — Cubos Partes internas do pistão, onde se localiza o furo para pino. D1 — Profundidade das canaletas Metade da diferença entre o diâmetro do cilindro e o diâmetro do fundo das canaletas. D2 — Diâmetro da zona dos anéis Diâmetro do pistão na zona de fogo e nas pare-des entre as canaletas. Em certos pistões, todos esses diâmetros são iguais. Em outros, os diâme-tros são crescentes a partir do topo do pistão. D3 — Folgas na zona dos anéis Diferenças entre os diâmetros da zona dos anéis e o diâmetro dos cilindros (D3 indica metade da folga). D4 — Folga na saia Diferenças entre o maior diâmetro da saia do pistão e o diâmetro do cilindro (D4 indica meta-de da folga). D5 — Folga cubos-biela Diferença entre a largura da biela e a distância entre cubos (D5 representa a metade da folga). Conicidade da saia do pistão Diferença entre o maior diâmetro da parte inferior e o diâmetro da parte superior da saia, sendo os diâmetros medidos nas superfícies de contato. Ovalidade do pistão Forma circunferencial do pistão para proporcio-nar contato e folga adequada com o cilindro sob todas as condições normais de temperatura e carga.
  58. 58. 57 4.3 — Tecnologia dos pistões QUADRO COMPARATIVO — EVOLUÇÃO DOS PISTÕES Motor Benz (1886) ø 90 mm (4 tempos) Material do pistão ferro fundido liga de alumínio — Peso do pistão, sem acessórios 2.200 g 320 g 85,5%  Máxima rotação do motor 300 rpm 6.000 rpm 1.900%  Peso do motor/potência 58 kg/cv 1,44 kg/cv 97,5%  Relação de compressão 3,5 : 1 8,5 : 1 143%  Potência de cada pistão 1,7 cv 20,5 cv 1.100%  Peso do pistão/potência do cilindro 1.294 g/cv 15,6 g/cv 98,8%  Folga na saia do pistão 0,2 mm 0,02 mm 90%  Motor Benz (1886) ø 90 mm (4 tempos) Motor Ciclo Otto Atual ø 85 mm Evolução Material do pistão ferro fundido liga de alumínio — Peso do pistão, sem acessórios 2.200 g 1.040 g 52,8%  Máxima rotação do motor 300 rpm 2.890 rpm 863%  Peso do motor/potência 58 kg/cv 3,0 kg/cv 94,8%  Relação de compressão 3,5 : 1 17,25 : 1 393%  Potência de cada pistão 1,7 cv 30 cv 1.664%  Peso do pistão/potência do cilindro 1.294 g/cv 34,7 g/cv 97,4%  Folga na saia do pistão 0,2 mm 0,11 mm 45%  Evolução Um estudo comparativo mostra que as exigências anteriores vêm se tornando cada vez mais rigo-rosas com a evolução dos motores. A tabela que segue apresenta uma comparação entre o primei-ro motor de quatro tempos de Benz, de 1886, e motores Ciclo Otto e Ciclo Diesel representativos de veículos atuais. Naquela época o material usado para pistões era o ferro fundido, escolha natural quando se consi-dera que o bloco também é deste material e que não havia um processo adequado de refino do alumínio. Enquanto nos motores Ciclo Otto o peso do pis-tão diminuiu cerca de sete vezes, o número de ro-tações por minuto aumentou vinte vezes, fator este que entra elevado ao quadrado no cálculo das for-ças de inércia. Motor Ciclo Diesel Atual Evolução A relação de compressão aumentou mais que o dobro, com o conseqüente aumento nas pressões dos gases, e a folga, reduzida à décima parte, veio exigir um estudo da forma do pistão e da precisão de usinagem. Os esforços sobre o pistão podem ser comprova-dos pelo seguinte índice — peso de pistão dividido pelo número de cavalos-vapor. Este índice, confor-me tabela a seguir, caiu de 1.924 gramas por ca-valo para 15,6 gramas por cavalo, portanto uma redução de 98,8%. Temperaturas Voltando ao problema da temperatura, a Figura 4.3.1 sintetiza uma distribuição típica da mesma, na cabeça e ao longo da saia do pistão para um motor Ciclo Diesel (à esquerda) e para um motor Ciclo Otto (à direita), em condições de plena potência.
  59. 59. 58 DISTRIBUIÇÃO DE TEMPERATURAS EM PISTÕES DURANTE O FUNCIONAMENTO Fig. 4.3.1 Em ambos os casos aparecem faixas de tempera-tura alcançadas nos pistões de ferro fundido e ligas de alumínio. Os limites superiores de temperatura são os casos mais desfavoráveis (pré-câmara no diesel e dois tempos arrefecidos a ar no à gasolina) e os limites inferiores de temperatura, os casos mais favoráveis (injeção direta no diesel e quatro tempos arrefecidos à água no Ciclo Otto). Pode-se verificar que, felizmente, embora a tem-peratura dentro da câmara de combustão alcance mais de 2.000ºC, a temperatura máxima do pis-tão no caso do Ciclo Diesel com pré-câmara, que é o mais crítico, pode alcançar: com pistão de fer-ro fundido, 460ºC e com pistão de liga de alumí-nio, 400ºC. No motor Ciclo Otto de dois tempos, os máximos seriam, respectivamente, 420ºC para o pistão de ferro fundido e 340ºC para o pistão de ligas de alumínio. Nos dois ciclos a temperatu-ra na saia é bem menor, situando-se na faixa de 120ºC a 200ºC. A menor temperatura máxima de trabalho dos pis-tões de liga de alumínio, tem permitido o uso de relações de compressão mais elevadas do que as que seriam possíveis com ferro fundido, devido aos riscos de pré-ignição, como pode ser verificado pe-los dados da tabela anterior. O pistão de ferro fundido atualmente está sendo utilizado quase exclusivamente nos motores Ci-clo Diesel.
  60. 60. 59 Materiais Atualmente, as ligas mais usadas para pistões são as ligas de alumínio-silício e alumínio-cobre. Pelas suas boas características mecânicas e resistência ao desgaste, são as ligas de alumínio-silício as mais utilizadas na fabricação de pistões. A típica representante deste grupo de ligas é a ML-124, cuja aplicação é extremamente ampla e diversificada. Nos casos em que o desempenho esperado do pistão é dependente de uma maior resistência ao desgaste ou de reduzidas folgas de montagem, recorre-se às ligas com teores mais al-tos de silício. Para estes casos, uma das opções é a ML-138. Uma conciliação de características com proprieda-des mecânicas superiores é obtida pelo forjamen-to das ligas. Pistões forjados suportam condições mais severas de funcionamento e são empregados em motores de serviço pesado. Quando a resistência em altas temperaturas for re-quisito imprescindível, a alternativa é recorrer às de alumínio-cobre, como a liga ML-Y. Opções interme-diárias são as ML-132 e ML-332. Características Fig. 4.3.2 especiais de resistência e excelente homogenei-dade microestrutural fazem das ligas AMS aque-las reservadas aos pistões forjados dos motores de aviões. Os fatores mais importantes na escolha de uma liga para pistão são: coeficiente de dilatação, resistência ao desgaste, peso específico ou densi-dade, além, naturalmente, da resistência mecânica, Fig. 4.3.3 especialmente a quente.
  61. 61. 60 A resistência ao desgaste, principalmente nas re-giões das canaletas, é decisiva quanto à vida útil dos pistões e não pode ser avaliada a uma simples vista das mesmas. A Figura 4.3.2 apresenta pistões diesel fabricados pela Metal Leve S.A. com mais de 360.000 km de uso. A Figura 4.3.3 é a fotografia de um desses pistões desenvolvida 360º, podendo-se observar o per-feito estado das superfícies. As fotos das cana-letas em corte mostram que somente na primeira houve desgaste, enquanto que as demais nada sofreram (Figs. 4.3.4, 4.3.5, 4.3.6 e 4.3.7). O desenvolvimento das ligas para pistões também está estreitamente ligado ao da tecnologia de usi-nagem. O silício, especialmente sob a forma de si-lício primário livre, devido à sua grande dureza (su-perior à do aço temperado), só permitiu a utilização de ligas de alumínio-silício hipereutéticas, quando a introdução da vídia e do diamante na tecnologia da usinagem tornou a mesma economicamente viável. Ainda assim, são exigidos cuidados especiais na fundição, no sentido de garantir um tamanho ade-quado de cristais de silício e uma distribuição uni-forme e controlada dos mesmos. Secção da 1a canaleta do anel de fogo. Note-se o pequeno desgaste do pistão, após 360.000 quilômetros. Secção da 3a canaleta, sem desgaste. Secção da 2a canaleta, praticamente sem desgaste. Secção da 4a canaleta, sem desgaste. Fig. 4.3.5 Fig. 4.3.7 Fig. 4.3.4 Fig. 4.3.6
  62. 62. 61 DEFORMAÇÃO ELÁSTICA SOB PRESSÃO DE TRABALHO Forma do Pistão A Figura 4.3.8 é uma síntese das tensões mecâni-cas e do campo térmico a que ficam submetidos os pistões em trabalho. Observa-se que tanto uma como a outra tendem a modificar a forma, tanto axial como radial do pistão. A solução encontrada é usinar os pistões com per-fil específico, de maneira que somente sob carga e sob as variações da temperatura de trabalho, ele adquira a forma do cilindro do motor. Fig. 4.3.8 COMPENSAÇÃO DAS DEFORMAÇÕES DEVIDO À TEMPERATURA E PRESSÃO POR USINAGEM EM TORNO COPIADOR A DIAMANTE DEFORMAÇÃO DEVIDO À TEMPERATURA DE SERVIÇO: DILATAÇÃO TéRMICA DEFORMAÇÃO DEVIDO À PRESSÃO E TEMPERATURA
  63. 63. 62 FORMA DO PISTÃO — ABAULAMENTO E OVALIzAÇÃO OBTIDAS EM TORNO COM FERRAMENTA DE DIAMANTE. A forma resultante é extremamente complexa, va-riando o raio ao longo do eixo e do qual resulta, por exemplo, a forma de barril. Como as secções resul-tantes não são também circulares, deve-se incorpo-rar na usinagem a ovalização, como se observa na Figura 4.3.9. As tolerâncias de fabricação do pistão são da ordem de centésimo de milímetro, chegando no furo para pino a alguns milésimos de milímetro. Essas tolerâncias exigem que a inspeção dimensio-nal dos pistões seja efetuada em salas com a tem-peratura ambiente controlada, pois a própria dila-tação do material com a variação da temperatura ambiente tem influência na precisão da usinagem. De fato, no caso de uma liga com 25% de silício (hipereutética), o coeficiente de dilatação linear é de16,5 x 10-6 cm/ºC. Se a variação de temperatura for de 10ºC e o pistão tiver 100 milímetros de diâme-tro, a variação do mesmo será de 10 x 100 x 16,5 x 10-6 = 0,016 mm acima da medida inicial. Fig. 4.3.10 Nota-se que aumentos de temperatura dessa or-dem podem ser obtidos na usinagem por uso de ferramentas, ângulos de corte ou velocidades de corte incorretos. Aperfeiçoamento da forma de ovalização. Notem-se, ainda, as grandes irregularidades do perfil de contato. Perfil de contato melhorado, mas ainda não perfeito. Perfil de contato muito bom, obtido após prolongado estudo de ovalização e conicidade e centenas de horas de ensaio. Fig. 4.3.9
  64. 64. 63 A melhor forma externa de um pistão só é obtida após cálculos, testes e alguns ensaios em bancos de prova, nas condições de operação mais críti-cas do motor e pela análise cuidadosa da super-fície de contato. As Figuras 4.3.10 e 4.3.11, obtidas em aparelho de medição com registrador gráfico em escala radial ampliada, mostram formas típicas de pistões. Exis-tem requisitos de precisão quanto à forma que só podem ser obtidos pela subdivisão das operações de usinagem. A da saia, em particular, tem de ser feita em vários estágios, em passos cada vez mais finos de maneira a reduzir o efeito das tensões in-ternas e da crescente diminuição da rigidez. Fig. 4.3.11 FORMA TÍPICA DE PISTÕES A foto da Figura 4.3.12 mostra uma boa superfície de contato de um pistão diesel. Fig. 4.3.12
  65. 65. 64 4.4 — Tipos de pistões Existem muitos tipos diferentes de motores: Ci-clo Otto e Ciclo Diesel arrefecidos a ar ou a água, com diâmetros de cilindros variando de 30 mm a 500 mm, monocilíndricos e pluricilíndricos. Portan-to, um único tipo de pistão não é conveniente a to-dos os motores. O tipo de pistão mais primitivo, e mais simples, é o da saia lisa, sem cortes. Exigia folga grande, a fim de evitar possível engripamento por não apresen-tar nenhuma compensação para sua dilatação. Seu uso ficou restrito aos motores que exigiam pistões robustos, para serviços pesados, caminhões, onde podia ser admitido um pistão mais barulhento. A necessidade de reduzir as folgas de operação levou ao aparecimento dos pistões com fendas. A fenda ao longo da circunferência do pistão, entre a zona dos anéis e a saia, destina-se a reduzir o fluxo de calor para a saia, controlando a sua dilatação, enquanto a fenda ou fendas longitudinais se des-tinam a garantir uma certa elasticidade da saia e também controlar a sua expansão. Conforme o as-pecto, temos os pistões com fenda em “U”, ou em “T”, como mostram as Figuras 4.4.1 e 4.4.2. Este é um tipo de pistão praticamente fora de uso. Com o desenvolvimento dos motores exigindo fol-gas cada vez menores, surgiu a necessidade de se criar novas formas de controlar a dilatação térmica. Então foi idealizada uma chapa de aço de baixo car-bono, engastada numa parede de alumínio, atuan-do como um par bimetálico, devido aos coeficien-tes de dilatação diferentes, curvando-se em função da temperatura conforme se pode observar na Fi-gura 4.4.3. O resultado é um aumento menor da di-mensão longitudinal do conjunto. Incorporando este princípio à construção dos pistões, foram obtidos os pistões de dilatação controlada, conhecidos como autotérmicos, em que a variação da folga entre o motor operando sem carga até a plena carga pode ser sensivelmente reduzida. Este tipo de pistão apa-rece nas Figuras 4.4.4, 4.4.5 e 4.4.6. Na Figura 4.4.7 vemos diversos tipos de chapas autotérmicas. O pistão autotérmico atualmente é o tipo mais uti-lizado. PISTÃO COM FENDA EM “U” (INVERTIDO) Fig. 4.4.1 PISTÃO COM FENDA EM “T” Fig. 4.4.3 Fig. 4.4.2
  66. 66. 65 No tipo mais aperfeiçoado — Figura 4.4.6 — cha-mado autotérmico de saia integral, o par bimetáli-co não exige solução de continuidade na superfície de contato da saia, tendo sido eliminados os es-pelhos. A maior expansão destes pistões, na dire-ção do eixo do pino, é levada em conta no projeto da ovalidade. A exigência de potências específicas crescentes, decorrentes do aumento da relação de compressão e das rotações por minuto, viria ainda a exigir dos pistões maiores esforços. Quando a potência específica ultrapassou 0,4 cv/cm2 de área da cabeça do pistão, a solução encontrada foi elimi-nar a fenda transversal substituindo-a por furos. A fenda transversal era responsável por um recalque térmico na zona dos anéis, obrigando os mesmos a trabalhar em temperaturas mais altas (num caso concreto: a eliminação da fenda abaixou em 25ºC a temperatura do primeiro anel) e responsável tam-bém pela diminuição da rigidez do pistão. Em conseqüência da substituição dessa fenda por furos, o efeito bimetálico ficou atenuado na parte superior da saia, devido à maior transferência de calor para ela, e com isso foi introduzido no projeto de pistões o perfil em forma de barril. Estes pistões com furos, autotérmicos ou não, são usados pre-ferencialmente nos motores muito solicitados, me-cânica e termicamente, tanto no Ciclo Otto como no Ciclo Diesel. Um outro tipo de pistão, conheci- Corte de um pistão autotérmico. Pode-se ver claramente a chapa de aço engastada no alumínio, formando um par. Fig. 4.4.4 Fig. 4.4.5 Fig. 4.4.6 Fig. 4.4.7 PISTÃO AUTOTéRMICO COM ESPELHO do como “Conformatic” e “Clearomatic”, tem certa analogia com o concreto protendido.
  67. 67. 66 Nestes pistões (Fig. 4.4.8) um anel de aço é colo-cado, antes do vazamento da liga, na parte supe-rior da saia, onde fica embutida. A secção deste anel pode ser quadrada, retangular, ou mesmo cir-cular (Fig. 4.4.9). O efeito desejado de menor expansão na direção do eixo de pressão decorre do fato de, no momen-to de resfriamento, a liga de alumínio envolvendo o anel ter sua contração livre impedida pelo mesmo, em conseqüência da diferença de coeficientes de dilatação. O anel fica sob tensões de compressão e o metal em volta sob tensões de tração. O pistão, ao ser aquecido no motor, terá as suas tensões re-siduais reduzidas e a expansão será menor. O efeito de regulagem na direção do eixo de pres-são é acentuado pelo fato da saia na região dos cubos do pistão estar ligada à cabeça do mesmo mais firmemente, sendo obrigada a seguir mais a expansão da cabeça, e as regiões de pressões, em conseqüência, serem deslocadas para dentro. É fácil compreender que o efeito regulador dos anéis de aço está limitado às regiões próximas à sua localização, portanto o efeito geral de controle da expansão destes pistões será menor do que no caso dos autotérmicos. Outros tipos muito em uso são os pistões forjados que, devido a este processo, apresentam carac-terísticas mecânicas de resistência cerca de 20% a 40% maiores do que os pistões obtidos por fu-são. Seu uso é reservado aos pistões de maior responsabilidade, em motores diesel e principal-mente em aviação. DIVERSAS FORMAS DE CINTAS DE AÇO USADAS NOS PISTÕES “CONFORMATIC” Fig. 4.4.9 E “CLEAROMATIC”. PISTÕES “CLEAROMATIC” E “CONFORMATIC”. Vê-SE O ANEL DE AÇO QUE, A FRIO, MANTéM O PISTÃO SOB TENSÕES DE TRAÇÃO. Fig. 4.4.8

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